fsk调制技术论文
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fsk调制技术论文篇一
摘要
在本二进制移频键控调制解调电路中，Multisim仿真，其中调制系统由模拟开关电路以及两个射随、选频电路组成。解调是用非相干解调，即包络检波法。本方案的优点是产生的2FSK信号频率稳定度好，转换速度快，波形好。
关键词：射随/选频电路;模拟开关;包络检波;
目录
摘要
前言.................................................................................................................4
2FSK的调制解调原理介绍.....................................................................................................5
2.1 2FSK的调制原理.....................................5
2.2 2FSK信号的解调原理..................................6
二、各单元电路设计 ............................................................................................. 8
3.1 2FSK调制单元............................................8
3.1.1 射随、选频电路.......................................8
3.1.2 模拟开关电路........................................8
3.2 2FSK解调单元............................................9
三、总体电路与电路仿真 ................................................................................... 10
4.1 总体电路设计...........................................10
4.2 调制和解调的仿真结果图................................10
参考文献.......................................................13
设计总结 ............................................................................................................... 14
附件1： 各元件引脚图......................................................................................15
附件2： 元器件清单...........................................................................................16
前 言
2FSK是利用载频频率的变化来传输数字信息的。数字载频信号有相位离散和相位连续两种情形。若两个振荡频率分别由不同的独立振荡器提供，它们之间的相位互不相关，这就叫相位离散的数字调频信号;若两个振荡频率由同一振荡信号源提供，是对其中一个载频进行分频，这样产生的两个载波就是相位连续的数字调频信号。
一、2FSK的调制解调原理介绍
1.1 2FSK的调制原理
FSK信号的产生有两种方法：直接调频法和频移键控法。
直接调频法是用二进制基带矩形脉冲信号去调制一个调频器，如(a图)所示，使其能够输出两个不同频率的码元。虽然方法简单，但频率稳定度不高，同时转移速度不能太高。
频移键控法有两个独立的振荡器。它是用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立频率源的振荡作为输出，(b图)所示。
以上两种方法产生的2FSK信号的波形基本相同，只是由调频器产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是连续的，如(c)图所示;而开关法产生的2FSK信号则分别由两个独立的频率源产生不同频率的信号，故相邻码元的相位是不一定连续的，如(d)所示。
图1.3
综上所述，我们这次设计采用键控法产生2FSK信号。
1.2 2FSK信号的解调原理
2FSK信号的解调可分为相干解调和非相干解调两种方法。其解调原
理是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调，然后进行判决。这里的抽样判决是直接比较两路信号抽样值的大小，可以不专门设置门限。判决规定与调制规定相呼应，调制时若规定“1”符号对应载波频率f1，则接受时上支路的样值较大，应判为“1”;反之则判为“0”。
本次设计采用非相干法(即包络解调法)，其方框图如下。
用两个窄带的分路滤波器分别滤出频率为f1和f2的高频脉冲经过包络检
波后分别取出它们的包络。把两路输出同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。
图1.4
设频率f1代表数字信号1;f2代表数字信号0，则抽样判决器的判决准则：
x1-x2>0 判决输入为f1信号
X1-x2<0 判决输入为f2信号
式中x1和x2分别为抽样判决时刻两个包络检波器的输出值。
二、 各单元电路设计
2.1 2FSK调制单元
要将NRZ码经过2FSK调制成为2FSK信号，我们采用一个受基带脉冲控
制的开关电路去选择两个独立频率源的振荡作为输出。键控法产生的FSK信号频率稳定度可以做得很高并且没有过度频率，它的转换速度快，波形好。
2.1.1 射随、选频电路
图2.1 射随、选频电路
电路中的两路载频由内时钟信号发生器产生，经过开关送入。两路载频分别经射随、LC选频、射随再送至模拟开关。
LC选频电路函数： f2LC
2.1.2 模拟开关电路
输入的基带信号由转换开关分成两路，一路控制f1=8KHz的载频，另一路经倒相去控制f2=4KHz的载频。当基带信号为“1”时，模拟开关1打开，模拟开关2关闭，此时输出f1=8KHz，当基带信号为“0”时，模拟开关2开通。此时输出f2=4KHz，于是可在输出端
得到FSK已调信号。
4066模拟开关电路如下图所示：
图2.2 4066模拟开关电路
CD4066是四双向模拟开关，主要用作模拟或数字信号的多路传输。引出端排列与CC4016一致，但具有比较低的导通阻抗。另外，导通阻抗在整个输入信号范围内基本不变。CD4066由四个相互独立的双向开关组成，每个开关有一个控制信号，开关中的p和n器件在控制信号作用下同时开关。这种结构消除了开关晶体管阈值电压随输入信号的变化，因此在整个工作信号范围内导通阻抗比较低。
2.2 2FSK解调单元
2FSK信号的解调方法有：包络检波发、相干解调发、鉴频法、过零点检测法等，在这次课设中我们采用包络检波法。
由于一路2FSK信号可视为两路2ASK信号，所以，2FSK信号也可以采用包络检波解调。性能分析模型如下所示:
图2.3 解调原理框图 与同步检测法解调相同，接收端上下支路两个带通滤波器的输出波形和分别表示为下式
:
观察上述的公式和实验框图可把其实验框图和实验波形图一起表示,同学们可以再进一步了解一下
包络检波器是一种线性不失真检波电路，其主要指标是：电压传输系数(检波效率)、输入阻抗。
在选择检波器的元件参数时，二极管的导通电压尽可能小.
三、 总体电路与电路仿真
3.1 总体电路设计
以下电路即为本次设计的调制解调电路：
图3.1 Multisim仿真电路
. 经过放大、选频后送入模拟开关调制出2FSK信号。然后将调制信号送
入解调器，经滤波、整流后解调处所用信号。
3.2 调制和解调的仿真结果图
图3.2 调制电路仿真结果
其中上面的正弦波即为调制出的2FSK信号，下面的为输入的同频率的方
波信号，与2FSK信号做对比。
图3.3 解调电路仿真结果
以上即为出的波形图，其中蓝色的线表示的是判决门限电平，与绿色的作对比。当解调出的波大于判决门限电平时，输出“1”，反之则输出“0”。红色的线即代表输出结果。
参考文献：
[1] 侯丽敏.通信电子线路.清华大学出版社.2008
[2] 谢阮清.解月珍.通信电子线路.北京邮电大学出版社.2000
四、设计总结
本次课程设计的目的是让我们掌握电子系统的一般设计方法，掌握2FSK调制器的调制原理以及2FSK调制器的设计方法，同时也让我们巩固了本学期所学的理论知识并能够指导实践。
附件1：各元件引脚图：
1、74LS04非门芯片引脚图
2、CD4066多路复用开关
附件2：元器件清单
fsk调制技术论文篇二
第一章：绪论
1.1引言
随着电子计算机的普及，数据通信技术正在迅速发展。数字频率调制是数据通信中常见的一种调制方式。频移键控(FSK)方法简单，易于实现，并且解调不须恢复本地载波，可以异步传输，抗噪声和抗衰落性能也较强。因此，FSK调制技术在通信行业得到了广泛地应用，并且主要适用于用于低、中速数据传输。
由于FSK调制解调原理相对比较简单，作为数字通信原理的入门学，理解FSK后可以容易理解其他更复杂的调制系统，为以后的进一步发展打下基础。
1.2 FSK简介
数字频率调制又称频移键控(FsK—Frequency Shift Keying)，二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。 2FSK信号便是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载频(与不同的另一载频)的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK键控法 则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。
第二章：理论基础
2.1 2FSK 调制原理及方法
2.1.1 2FSK调制的基本原理
用基带信号f(t)对高频载波的瞬时频率进行控制的调制方式叫做调频，在数字调制系统中则称为频移键控(FSK)。频移键控在数字通信中是使用较早的一种调制方式，这种方式实现起来比较容易，抗干扰和抗衰落的性能也较强。其缺点是占用频带较宽，频带利用串不够高，因此，额移键控主要应用于低、中速数据的传输，以及衰落信道与频带较宽的信道。
2.1.2 2FSK信号的表达式和波形图
频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。故其表达式为：
(式2.1)
假设二进制序列s(t)为l01001时，则2FSK信号的波形如图2.1.2所示
图2.1.2 2FSK信号的波形
从图中可以看出，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。因此，2FSK信号的时域表达式又可写成
式中：g(t)为单个矩形脉冲，脉宽为
Ts;
ax是ax的反码，若ax=1，则ax=0;若ax=0，则ax=1，于是n和n分别是第n个信号码元的初相位。在移频键控中，n和n不携带信息，通常可令和为零。
2.1.3 2FSK信号的带宽
由式(2.1)可知，2FSK信号可以看成是两个不同载频的振幅键控信号之和，因此它的频带宽度是两倍数字基带信号带宽(B)与fc2fc1之和，即：BW2Bfc2fc1sfc2fc1
2.1.4 2FSK调制方案的比较
2FSK信号产生的方法主要有两种。一种可以采用模拟电路来实现(即直接调频法);另一种可以采用键控法来实现。
(1) 直接调频法原理
所谓直接调频法，就是用数字基带信号去控制一个振荡器的某种参数而达到改变振荡频率的目的。如图2.1.3所示
图2.1.3 直接调频法原理框图
(2)键控法原理
该方法就是在二进制基带矩形脉冲序列的控制 下通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，使其在每一个码元Ts期间输出f1或f2两个载波之一。其原理如图1.2.2所示，它将产生二进制FSK信号。图中，数字信号控制两个独立振荡器。门电路(即开关电路)和按数字信号的变化规律通断。若门打开，则门关闭故输出为f1，反之则输出f2。这种方法的特点是转换速度快、波形好，而且频率稳定度可以做得很高。频率键控法还可以借助数字电路来实现。
以上两种FSK信号的调制方法的差异在于：由直接调频法产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。(这一类特殊的FSK，称为连续相位FSK而键控法产生的2FSK信号，是由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成，故相邻码元之间的相位不一定连续。
图2..1.4 键控法原理框图
2.1.5 2FSK调制方案的选择
我们组选择采用键控法来产生2FSK信号，主要基于以下2个原因：
1：直接调频法产生的移频键控信号虽易于实现，但由于是同一振荡器产生两个不同频率的信号，在频率变换的过渡点相位是连续的，其频率稳定度较差。而且这种方法产生的FSK信号频移不能太大，否则振荡不稳，甚至停振，因而实际应用范围不广，仅适用于低速传输系统。
2：频率键控法是用数字矩形脉冲控制电子开关，使电子开关在两个独立的振荡器之间进行转换，从而在输出端得到不同频率的已调信号。由于产生f1和f2载频是由两个独立的振荡器实现，则输出的2FSK信号的相位是不连续的。这种方法的特点是转换速度快，波形好，频率稳定度高，电路不甚复杂，在实用中可以用一个频率合成器代替两个独立的振荡器,再经分频链，进行不同的分频，也可得到2FSK信号。
2.2 2FSK信号解调方案的比较与选择
数字调频信号的解调方法很多，如相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。下面就相干检测法、非相干检测法、过零检测法和差分检测法进行介绍。
2.2.1 滤波+包络检波法
2FSK信号的包络检波法解调方框图如图2.2.3所示，其可视为由两路2ASK解调电路组成。这里，两个带通滤波器(带宽相同，皆为相应的2ASK信号带宽;中心频率不同，分别为f1、f2起分路作用，用以分开两路2ASK信号，上支路对应
下支路对应，经包络检测后分别取出它们的包络及，;抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。若上、下支路及的抽样值分别用表示，则抽样判决器的判决准则为
图2.2.1 2FSK信号包络检波方框图
2.2.2 相干检测法
相干检测的具体解调电路是同步检波器，原理方框图如图2.2.2所示。图中两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用。它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的低频信号，抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值
可还原出基带数字信号。
进行比较判决(判决规则同于包络检波法)，即
图2.2.2 2FSK相干检测方框图
2.2.3 过零检测法
单位时间内信号经过零点的次数多少，可以用来衡量频率的高低。数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。过零检测法方框图及各点波形如图2.2.4所示。在图中，2FSK信号经限幅、微分、整流后形成与频率变化相对应的尖脉冲序列，这些尖脉冲的密集程度反映了信号的频率高低，尖脉冲的个数就是信号过零点数。把这些尖脉冲变换成较宽的矩形脉冲，以增大其直流分量，该直流分量的大小和信号频率的高低成正比。然后经低通滤波器取出此直流分量，这样就完成了频率——幅度变换，从而根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”。
图2.2.3 过零检测法方框图及各点波形图
2.2. 4 差分检波法
差分检波法的原理如图2.2.4所示，输入信号经接收滤波器滤除带外无用信号后被分成两路，一路直接送到乘法器(平衡调制器)，另一路经时延τ送到乘法器，相乘后再经低通滤波器提取信号。解调的原理可作如下说明：设输入为
，它与时延之波形的乘积为Acos(0)t Acos(0)tAcos(0)(t) 2V(A2)COS(0)若用低通滤波器除去倍频分量，则其输出为
可见，V是角频率偏移的函数，但却不是一个简单的函数关系。现在我们是当地选择使cos00
2sinV(A)sin 当02时 01则有=，故此有
22时 或 V(A2)sin 当0
2V(A) 当02时 若角频偏较小;<<1，则有
2V(A) 当02时 或
由此可见，当满足条件
鉴频特性所要求的。 cos00及<<1时，输出电压V将与角频偏呈线性关系。这是
2.2.5 2FSK解调方案的选择
过零检测法较其他三种分析方法更简单，因此我们决定用过零检测法来实现FSK信号的解调。
2.3 FSK系统性能
Pe
对于FSK采用非相干解调，在高斯白噪声信道环境下的平均误码率为：E1b)22N0
Eb
N对于一个实际通信设备，其性能一般较理论性能在0上要恶化几个dB，一般可达(23dB)。
因而，对于一个调制方式已确定的信道设备，对于其误码率的测量是一个十分重要的环节。一方面可以衡量其在实际信道环境下的性能，比理论值所恶化的程度;另一方面，通过测量设备的信道误码率指标，可以判断当前设备是否工作正常。
对设备信道误码率指标的测量，不仅仅对该设备的性能有所了解，同时它也是通信系统工程方面(系统建立、维护)重要的工具。
1.误码率测量
对信道误码率的测量一般需通过误码测试仪进行。误码测试仪首先发送一串伪码给信道设备，信道设备将FSK信号发送，并经信道返回(主要是完成加噪功能)，然后解调。将解调之后的数据再送入误码测试仪进行比较，将误码进行计数。而后将误码率显示出来：
Pe接收的误码数
发送的总码数
3.调制指数
调制指数(h，单位为bit/Symbol)，也被称为带宽效率，是以bit/s/Hz为单位来度量。较高的h会有较高的设备费用、复杂性、线性、以及为了保持与低h系统相同的误比特率而引起的SNR的增加。
信噪比(SNR：Signal to Noise Ratio)工程应用中，SNR的定义信号和噪声在功率上的比值。
总结：通过FSK调制，可以采用直接调频或频移键控，将数字信号调制为以频率表示的余弦波信号，在传播中有效防止误码的发生，提高传输可靠性。FSK检波可采用相干检测法、非相干检测法、过零检测法和差分检测等方法，从而将包含在余弦波中的信号恢复，已达到数字传输的目的。